盐冻环境下CO2养护生物炭再生混凝土的损伤规律与寿命预测

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1257

摘要/Abstract

摘要：

为提升寒冷盐碱地区再生混凝土的耐久性，以C30再生混凝土为对象，设置 0%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%（质量分数）五个生物炭掺量梯度，并采用普通养护与CO₂养护两种方式，通过硫酸盐冻融循环试验测定了质量损失率、相对动弹性模量及抗压强度损失率等宏观指标，结合核磁共振技术对孔隙结构进行微观分析，并基于Weibull 分布构建了损伤模型，用于预测混凝土在盐冻环境下的服役寿命。结果表明：生物炭可显著改善再生混凝土抗盐冻性能，最优掺量为4.0%，在该掺量下，普通养护试件经300次冻融循环后，质量损失率、相对动弹性模量及抗压强度损失率较基准组分别改善46.8%、58.0%与22.7%；采用CO₂养护可进一步提升性能，同掺量下质量损失率与抗压强度损失率较普通养护组分别降低36.8%、33.1%。生物炭多孔吸附特性与CO₂养护碳化致密化作用协同优化了混凝土的孔隙结构，减少有害孔比例。基于Weibull分布的损伤模型拟合效果良好，预测华北地区该最优组合试件服役寿命可达9 288 d，较基准组提升175.4%。研究证实，生物炭与CO₂养护的协同作用对再生混凝土抗盐冻性能具有“1+1>2”的增强效果，可显著延长其在寒冷盐碱环境下的服役寿命。

关键词: 生物炭, 再生混凝土, CO₂养护, 硫酸盐冻融, Weibull概率分布

Abstract:

To enhance the durability of recycled concrete in cold saline-alkaline regions， this study focused on C30 recycled concrete with five biochar incorporation levels （0%，2.0%，4.0%，6.0%， and 8.0%，mass fraction）. Two curing methods，standard curing and CO₂ curing，were applied. Sulfate freeze-thaw cycle tests were conducted to measure macroscopic indicators including mass loss rate， relative dynamic elastic modulus， and compressive strength loss rate. Microscopic pore structure analysis was performed using nuclear magnetic resonance （NMR） technology. A damage model based on the Weibull distribution was established to predict service life of concrete under salt freezing environment. The results show that biochar significantly improves the salt-freeze resistance of recycled concrete， with an optimal incorporation rate being 4.0%. After 300 freeze-thaw cycles under standard curing， the mass loss rate， relative dynamic elastic modulus， and compressive strength loss rate of the 4.0% biochar group improve by 46.8%， 58.0%， and 22.7%， respectively， compared with the reference group. CO₂curing further enhances the performance， reducing the mass loss rate and compressive strength loss rate by 36.8% and 33.1%， respectively， compared with the standard-cured group at the same biochar content. The porous adsorption characteristics of biochar， combined with the densification effect of CO₂ curing through carbonation， synergistically optimize the pore structure and reduce the proportion of harmful pores. The damage model based on the Weibull distribution exhibits a good fit and predicte that the service life of the optimal combination （4.0% biochar with CO₂ curing） in North China could reach 9 288 d， which is 175.4% longer than that of the reference group. The study confirms that the synergistic effect of biochar and CO₂ curing produces a “1+1>2” enhancement effect on the salt-freeze resistance of recycled concrete， significantly extending its service life in cold saline-alkaline environments.

Key words: biochar, recycled concrete, CO₂ curing, sulfate freeze-thaw, Weibull probability distribution

中图分类号:

TU528

王梦瑶, 赵远卓, 杜文风, 赫中营. 盐冻环境下CO₂养护生物炭再生混凝土的损伤规律与寿命预测[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(7): 2299-2311.

WANG Mengyao, ZHAO Yuanzhuo, DU Wenfeng, HE Zhongying. Damage Law and Life Prediction of CO₂ Curing Biochar Recycled Concrete under Salt Freezing Environment[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(7): 2299-2311.

图/表 18

表1 水泥主要化学成分

Table 1 Main chemical composition of cement

Chemical composition	CaO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO
Mass fraction/%	62.5	21.3	5.8	3.1	2.2

表2 再生骨料基本物理性能

Table 2 Basic physical properties of recycled aggregate

Type

Bulk density/（kg·m^-3）

Apparent

density/（kg·m^-3）

Water absorption/%

Crushing index/%

Flaky and elongated particle mass fraction/%

Mortar mass fraction/%

Water-soluble sulfate ion mass fraction/%

表3 生物炭主要成分

Table 3 Main chemical composition of biochar

Chemical composition	C	SiO₂	Al₂O₃	CaO	K₂O
Mass fraction/%	78.5	12.3	3.2	2.1	1.8

表4 生物炭基本特性指标

Table 4 Basic characteristic indexes of biochar

Type	Specific surface area/（m²·g^-1）	Porosity/%	Carbon mass fraction/%	pH value	Moisture mass fraction/%
Biochar	426.5	58.2	82.3	9.1	2.1

图1 生物炭SEM照片

Fig.1 SEM images of biochar

表5 不同生物炭掺量混凝土配合比

Table 5 Mix proportion of concrete with different biochar content

Sample	Mix proportion/（kg·m^-3）
Sample	Cement	Biochar	Recycled aggregate	Sand	Water	Water reducing agent
OC	380.0	0	1 180	620	180	1.9
BRC-2.0%	372.4	7.6	1 180	620	180	1.9
BRC-4.0%	364.8	15.2	1 180	620	180	1.9
BRC-6.0%	357.2	22.8	1 180	620	180	1.9
BRC-8.0%	349.6	30.4	1 180	620	180	1.9

图2 CO2养护装置

Fig.2 CO2 curing device

图3 碳化深度测试

Fig.3 Carbonation depth test

图4 硫酸盐冻融循环试验

Fig.4 Sulfate freeze-thaw cycle test

图5 混凝土碳化深度

Fig.5 Carbonation depth of concrete

图6 不同养护方式下生物炭对混凝土质量损失率的影响

Fig.6 Effect of biochar on mass loss rate of concrete under different curing methods

图7 不同养护方式下生物炭对混凝土相对动弹性模量的影响

Fig.7 Effect of biochar on relative dynamic elastic modulus of concrete under different curing methods

图8 不同养护方式下生物炭对混凝土抗压强度损失率的影响

Fig.8 Effect of biochar on compressive strength loss rate of concrete under different curing methods

图9 不同养护方式下生物炭混凝土横向弛豫时间变化规律

Fig.9 Variation of transverse relaxation time of biochar concrete under different curing methods

图10 不同养护方式下生物炭混凝土孔隙积分面积变化规律

Fig.10 Variation law of pore integral area of biochar concrete under different curing methods

图11 不同养护方式下生物炭混凝土孔隙积分面积变化规律

Fig.11 Variation of pore integral area of biochar concrete under different curing methods

图12 线性回归分析

Fig.12 Linear regression analysis

表4 不同生物炭掺量组混凝土的盐冻服役寿命预测

Table 4 Prediction of service life of concrete with different biochar content groups in salt freezing

Sample	Curing method	Northeast life/d	North life/d	Northwest life/d
OC	Ordinary curing	2 232	3 192	2 280
OC	CO₂ curing	2 364	3 372	2 412
BRC-4.0%	Ordinary curing	4 200	6 000	4 296
BRC-4.0%	CO₂ curing	6 480	9 288	6 612

参考文献 30

[1]	BAO J W， WANG Y W， ZHANG H R， et al. Effect of loading-induced damage on chloride ingress behavior of recycled aggregate concrete： a comprehensive review［J］. Cement and Concrete Composites， 2023， 141： 105123. DOI URL
[2]	LACHIMPADI S K， PEREIRA J J， TAHA M R， et al. Construction waste minimisation comparing conventional and precast construction （mixed system and IBS） methods in high-rise buildings： a Malaysia case study［J］. Resources， Conservation and Recycling， 2012， 68： 96-103.
[3]	孙吉书，刘岚彬，薛丹璇，等. 基于多源异构的建筑垃圾再生料性能影响研究［J］. 硅酸盐通报， 2025， 44（3）： 1091-1101.
	SUN J S， LIU L B， XUE D X， et al. Performance impact of construction waste recycled materials based on multi source heterogeneity［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2025， 44（3）： 1091-1101 （in Chinese）.
[4]	YAO J C， LI Q T， LI H X， et al. Mechanical properties of concrete with recycled waste curbstone as coarse and fine aggregate［J］. European Journal of Environmental and Civil Engineering， 2025， 29（13）： 2865-2884. DOI URL
[5]	包含，王耿，晏长根，等. 公路建设碳排放核算与岩土工程低碳措施及碳补偿研究综述［J］. 中国公路学报， 2025， 38（1）： 46-72. DOI
	BAO H， WANG G， YAN C G， et al. Highway construction carbon emission assessment and low-carbon measures and carbon compensation for geotechnical engineering： a review［J］. China Journal of Highway and Transport， 2025， 38（1）： 46-72 （in Chinese）. DOI
[6]	XU R， GALE S A， KIM H， et al. Boron as a contaminant at construction and demolition （C&D） debris landfills［J］. Waste Management， 2020， 109： 85-93. DOI URL
[7]	肖建庄，黎骜，丁陶. 再生混凝土生命周期CO₂排放评价［J］. 东南大学学报（自然科学版）， 2016， 46（5）： 1088-1092.
	XIAO J Z， LI A， DING T. Life cycle assessment on CO₂ emission for recycled aggregate concrete［J］. Journal of Southeast University （Natural Science Edition）， 2016， 46（5）： 1088-1092 （in Chinese）.
[8]	OUYANG K， LIU J H， LIU S H， et al. Influence of pre-treatment methods for recycled concrete aggregate on the performance of recycled concrete： a review［J］. Resources， Conservation and Recycling， 2023， 188： 106717.
[9]	吕洁琴，袁豪，高玲，等. 磨耗对再生混凝土骨料物理性能及表观形态的影响［J］. 硅酸盐通报， 2025， 44（9）： 3218-3226+3237. DOI
	LYU J Q， YUAN H， GAO L， et al. Effect of abrasion on physical properties and apparent morphology of recycled concrete aggregates［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2025， 44（9）： 3218-3226+3237 （in Chinese）. DOI
[10]	REVILLA-CUESTA V， SKAF M， FALESCHINI F， et al. Self-compacting concrete manufactured with recycled concrete aggregate： an overview［J］. Journal of Cleaner Production， 2020， 262： 121362. DOI URL
[11]	LI Z W， LI L Y， CHENG S S. Evaluation of modulus of elasticity of concrete containing both natural and recycled concrete aggregates［J］. Journal of Cleaner Production， 2024， 447： 141591. DOI URL
[12]	封彦羽，温勇，张超. 纳米SiO₂对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响［J］. 硅酸盐通报， 2025， 44（6）： 2089-2100. DOI
	FENG Y Y， WEN Y， ZHANG C. Effect of nano-SiO₂ on resistance of concrete to sulfate attack［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2025， 44（6）： 2089-2100 （in Chinese）.
[13]	QIN S S， ZOU D J， LIU T J， et al. A chemo-transport-damage model for concrete under external sulfate attack［J］. Cement and Concrete Research， 2020， 132： 106048. DOI URL
[14]	贡力，赵学昊，许天乐，等. 硫酸盐环境下沙漠砂混凝土抗冻耐久性及界面微观结构研究［J］. 材料导报， 2025， 39（22）： 94-103.
	GONG L， ZHAO X H， XU T L， et al. Frost durability and interfacial microstructure of desert sand concrete under sulphate environment［J］. Materials Reports， 2025， 39（22）： 94-103 （in Chinese）.
[15]	刘浩天，孙竟鹏，刘海峰，等. 硫酸盐冻融作用对沙漠砂混凝土声发射特性影响［J］. 铁道科学与工程学报， 2025， 22（4）： 1647-1661.
	LIU H T， SUN J P， LIU H F， et al. Effect of sulfate freeze-thaw action on acoustic emission properties of desert sand concrete［J］. Journal of Railway Science and Engineering， 2025， 22（4）： 1647-1661 （in Chinese）.
[16]	WU C， JIERULA A， FU Z X， et al. Study on the mechanism of anti sulfate freeze-thaw， dry wet cycle of polypropylene fiber foam concrete［J］. Construction and Building Materials， 2025， 463： 140144. DOI URL
[17]	CHEN L， ZHANG Y Y， WANG L， et al. Biochar-augmented carbon-negative concrete［J］. Chemical Engineering Journal， 2022， 431： 133946. DOI URL
[18]	SENADHEERA S S， GUPTA S， KUA H W， et al. Application of biochar in concrete-a review［J］. Cement and Concrete Composites， 2023， 143： 105204. DOI URL
[19]	FU X X， GUERINI A， ZAMPINI D， et al. Storing CO₂ while strengthening concrete by carbonating its cement in suspension［J］. Communications Materials， 2024， 5： 109. DOI
[20]	ZAKER Z， HOSSEINI A， AZIZI S， et al. An atomic approach to pore refinement in concrete： carbon dioxide to carbonate calcium［J］. Cement and Concrete Research， 2023， 172： 107241. DOI URL
[21]	LIU J， YANG X Y， LIU H H， et al. Mixed biochar obtained by the co-pyrolysis of shrimp shell with corn straw： co-pyrolysis characteristics and its adsorption capability［J］. Chemosphere， 2021， 282： 131116. DOI URL
[22]	马丛丛，杨长辉，白云，等. CO₂养护对混凝土碳化性能的影响［J］. 建筑材料学报， 2026， 29（2）： 201-210.
	MA C C， YANG C H， BAI Y， et al. Effect of CO₂ curing on the carbonation performance of concrete［J］. Journal of Building Materials， 2026， 29（2）： 201-210 （in Chinese）.
[23]	ROSTAMI V， SHAO Y X， BOYD A J， et al. Microstructure of cement paste subject to early carbonation curing［J］. Cement and Concrete Research， 2012， 42（1）： 186-193. DOI URL
[24]	SHAO Y X， MIRZA M S， WU X. CO₂ sequestration using calcium-silicate concrete［J］. Canadian Journal of Civil Engineering， 2006， 33（6）： 776-784. DOI URL
[25]	肖文淇，张克含，赵洪凯. CO₂养护与生物炭协同增强再生骨料混凝土强度与微观结构［J/OL］. 铁道科学与工程学报， 1-16 （2025-11-26）［2026-07-30］. https://doi.org/10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20251639.
	XIAO W Q， ZHANG K H， ZHAO H K. CO₂ curing and biochar synergistically enhance the strength and microstructure of recycled aggregate concrete［J/OL］. Journal of Railway Science and Engineering， 1-16 （2025-11-26）［2026-07-30］. （in Chinese）.
[26]	YING X J， ZHAO X， YE M， et al. Waste rice straw biochar recycled concrete： carbon sequestration， durability and microstructure［J］. Journal of Cleaner Production， 2025： 145690.
[27]	LIU G M， LIU L， LIU H M， et al. Investigating CO₂ sequestration properties of biochar shotcrete［J］. Construction and Building Materials， 2024， 443： 137779. DOI URL
[28]	ZHOU Y， WANG S L， CHEN L. Progress and prospects of biochar as concrete filler： a review［J］. Alexandria Engineering Journal， 2025， 128： 306-323. DOI URL
[29]	任翔，闫浩之，张宇杰，等. 冻融/盐蚀环境下钢纤维石墨混凝土力学性能及耐久性研究［J］. 中国公路学报， 2025， 38（11）： 97-111.
	REN X， YAN H Z， ZHANG Y J， et al. Mechanical properties and durability of steel fiber graphite concrete under freeze-thaw/salt corrosion environment ［J］. China Journal of Highway and Transport， 2025， 38（11）： 97-111 （in Chinese）.
[30]	李少平，单俊伟，刘小芹，等. 低温环境下硅灰改性煤矸石混凝土孔隙结构演变［J］. 硅酸盐通报， 2024， 43（9）： 3262-3272.
	LI S P， SHAN J W， LIU X Q， et al. Evolution of pore structure in silica fume modified coal gangue concrete under low temperature environment ［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2024， 43（9）： 3262-3272 （in Chinese）.

盐冻环境下CO₂养护生物炭再生混凝土的损伤规律与寿命预测

Damage Law and Life Prediction of CO₂ Curing Biochar Recycled Concrete under Salt Freezing Environment

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[1]	叶俊豪, 陈阁, 房晶瑞, 白锋, 秦贺胜, 王丽娜. CO₂养护硅酸钙板的研究进展[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(6): 1851-1863.
[2]	孔爱散, 洪雅璐, 叶敏辉, 吴鸿祥, 汤薇, 李娜, 王伟. 竹杆生物炭改性水泥土的三轴力学特性研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(5): 1603-1614.
[3]	刘东明, 杨关飞, 朱辉国, 王家滨, 韩会阳. Mg²⁺-SO₄^2--Cl^-侵蚀粉煤灰-偏高岭土复掺再生混凝土离子传输与物相组成演化研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(4): 1282-1295.
[4]	黄振辉, 赵菲, 常钧, 李文政, 周智. CO₂养护椰壳炭再生混凝土的力学性能和固碳能力[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 156-164.
[5]	叶纪盛, 马英, 李淯伟, 邰安, 王家豪. 早期CO₂养护对钢渣固废胶凝材料性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(9): 3326-3336.
[6]	黄从斌, 邰洪生, 罗居刚. 预湿生物炭对超高性能混凝土自收缩和抗压强度的影响[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(7): 2458-2464.
[7]	余沁昕, 刘问. 混凝土用生物炭火山灰活性研究综述[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(4): 1243-1254.
[8]	钟传利, 苏旭, 张亮, 孔子航, 李海天, 朱庆楠, 常洪雷. 碳化再生细骨料对再生砂浆与混凝土力学性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(4): 1468-1476.
[9]	孙小飞, 吴天乾, 余振鹏, 潘丽君. 钢纤维再生混凝土劈裂拉伸力学性能与破坏机理[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(3): 883-891.
[10]	赵毅, 李宇, 侯东昌, 蒋明旭, 冯奥中, 孙玉周, 闵志宇. 橡胶玻璃粉再生混凝土力学及抗冲击性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(2): 550-560.
[11]	阎杰, 邢国斌, 冯龙辉, 梁重阳, 谢军, 翁维素, 白启敬. 苎麻纤维对再生混凝土力学强度的影响[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(2): 455-462.
[12]	王魏, 陈雪梅, 邓祥海, 罗利, 吴启红, 肖林一, 康河川. 生物炭对磷建筑石膏性能影响研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(12): 4469-4479.
[13]	王春龙, 穆锐, 刘宁波, 王正刚. 再生混凝土的制备与力学性能研究进展[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(12): 4283-4300.
[14]	范定强, 吕学森, 陆建鑫, 郭柄霖, 潘智生. 生物炭增强的CO₂泡沫混凝土力学性能与固碳特性研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(11): 4113-4122.
[15]	高立堂, 马加涛, 田玉鹏, 王海超, 杜延鑫. 高温后再生混凝土纯Ⅱ型剪切断裂性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(10): 3587-3596.